Impatto della combustione della legna sulla qualità dell'aria

1. Emissioni della combustione della legna
Combustione della legna
e inquinamento atmosferico
(dal campionamento all’analisi)
Andrea Piazzalunga
Dipartimento di Scienze dell’Ambiente e del Territorio
Università degli Studi di Milano - Bicocca
andrea.piazzalunga@unimib.it

2. Emissioni della combustione della legna
LA LEGNA NON È ECOLOGICA -
La legna non è un combustibile
ecologico, dal punto di vista delle
emissioni, se bruciata malamente come
avviene nei caminetti aperti e nelle
diffusissime stufe tradizionali: emette
enormi quantità di polveri sottili che,
ricche di frazioni incombuste, sono
fortemente dannose alla salute. I fattori
di emissione della legna sono dieci-venti
volte peggiori, per le sole polveri, di
quelli dell'olio combustibile o cento volte
di quelli del gasolio, la cui azione
inquinante è nota (l'olio combustibile è
già vietato nelle "zone critiche" e lo sarà,
dal 1 ottobre 2006, su tutta la
Lombardia).
L'uso delle biomasse, con particolare
riferimento alle coltivazioni agricole e
forestali, può rivestire un ruolo
rilevante nel prossimo futuro,
soprattutto nell'ottica di un ampio
spettro di interrelazioni dei differenti
settori: l'energia, l'uso del territorio, la
protezione dei suoli, la politica agricola e
forestale, la gestione dei rifiuti, il
commercio internazionale,
l'inquinamento atmosfe-rico e la qualità
della vita nei centri urbani".
Combustione della legna: terreno di contrasto

3. Emissioni della combustione della legna
Photo courtesy of Shropshire Star Newspaper,
http://www.shropshirestar.com
Combustione della legna: terreno di contrasto

4. Emissioni della combustione della legna
Combustione della legna: terreno di contrasto

5. Emissioni della combustione della legna
- Circa 4.4 milioni di utenze (oltre il 20% della popolazione) a livello nazionale (CTI 2006)
- Oltre 800 mila apparecchiature in Lombardia (CTI 2006)
- Circa 2 milioni di tonnellate di biocombustibile legnoso consumato in Lombardia (ARPA
2006)
- Circa 1 milione di tonnellate di pellet consumato in Italia ogni anno (CTI 2009)
Dove nasce il problema…

6. Emissioni della combustione della legna
Piazzalunga et al.
(Atmospheric Environment 45 (2011) 6642 – 6649)
Benefici e rischi della combustione della legna
C.A. Belis et al.
(Atmospheric Environment 45 (2011) 7266 – 7275)
Renewable Energy Directive
Europa 2010
Consumo di energia da FER 12%
Direttiva 2009/28/CE
Obiettivi vincolanti
Italia 2020
17% dell’energia FER
Consumo di energia 2020: 135Mtep
FER 2008: 9 Mtep
FER 2020: 22 Mtep
È previsto che la combustione della legna
contribuirà per il 25% (5.5 Mtep)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
2005 2020
HEAT CONSUMPTION FROM BIOMASSES (ktoe)
National Action Plan for Renewables of Italy (2010)

7. Emissioni della combustione della legna

8. Emissioni della combustione della legna
Rischi per la salute umana

9. Emissioni della combustione della legna
Necessità di un approccio integrato
Campionamento
delle emissioni
Caratterizzazione
chimico fisica
Stima dei rapporti
di emissione
Source
apportionment
Caratterizzazione
tossicologica
health impacts
Analisi LCA
Life Cycle Assessment
Valutazione di sostenibilità
LEnS: Legno Energia e Salute (PRIN 2008)
La combustione della legna come fonte di energia primaria: sviluppo
di metodologie integrate per la valutazione di rischi e benefici

10. Emissioni della combustione della legna
Il particolato da biomassa deriva dalle ceneri e dalla combustione incompleta del combustibile
La formazione di particolato dipende principalmente da:
-Tecnologia e efficienza della combustione
-Qualità del combustibile
-Correttezza nell’installazione dell’apparecchio
-Corretta gestione dell’apparecchio
Fonte CTI
La combustione dei solidi consiste nella decomposizione chimica del combustibile che porta alla
produzione di “vapori combustibili” che vengono rilasciati a basse temperature (250°C) per poi
bruciare nella fiamma a contatto con l’ossigeno
Le tre variabili che condizionano principalmente la combustione sono:
-Temperatura
-Diffusione dell’ossigeno all’interno del combustibile
-Reattività chimica del processo di combustione
Francesca Hugony - SSC
I fattori che influenzano l’emissione di particolato
durante la combustione…

11. Emissioni della combustione della legna
Char ceneri
Ossidi
di Ca, K,
Mg,
Mn, Na,
Si
gas
Prodotti
combustione
SO2,
NOx,
CO,
COV,
PM,
H2O,
CO2
H2O, CO, H2,
CH4, …
O2
Composti Organici Volatili
Si formano dalla combustione incompleta della biomassa
Sono inclusi gli idrocarburi aromatici (IPA) e alifatici, le aldeidi e gli alcoli
Francesca Hugony - SSC
La combustione della legna
O2

12. Emissioni della combustione della legna

13. Emissioni della combustione della legna
I fattori che influenzano l’emissione di particolato
durante la combustione…
G. Toscano (Università Politecnica delle Marche)

14. Emissioni della combustione della legna
Il fattore tecnologico

15. Emissioni della combustione della legna
Il combustibile
Fine et al., 2004 - 2006
In Lombardia
2007 0,5 Mt di legna tagliata (ERSAF)
2007/08 1,6 Mt di legna consumata (Pastorello et al., 2011)

16. Emissioni della combustione della legna
È necessario considerare la stufa a legna come un impianto di riscaldamento
Umidità del
combustibile
Modalità di accensione
Thomas Nussbaumer et al., 2005SSC
Il fattore educativo…
G. Toscano (Università Politecnica delle Marche)

17. Emissioni della combustione della legna
[Klippel & Nussbaumer 2007]
Variabilità del sistema

18. Emissioni della combustione della legna
Necessità di un approccio integrato
Campionamento
delle emissioni
Caratterizzazione
chimico fisica
Stima dei rapporti
di emissione
Source
apportionment
Caratterizzazione
tossicologica
health impacts
Analisi LCA
Life Cycle Assessment
Valutazione di sostenibilità
LEnS: Legno Energia e Salute
La combustione della legna come fonte di energia primaria: sviluppo
di metodologie integrate per la valutazione di rischi e benefici

19. Emissioni della combustione della legna
Per la caratterizzazione chimica
delle emissioni
Tunnel di diluizione
US-EPA Method 5G,
con ulteriori
implementazioni strumentali
(UNITS)
barbierp@units.it
www.arcosolutions.eu

20. Emissioni della combustione della legna
C. Schmidl et al. / Atmospheric Environment 42 (2008) 126–141

21. Emissioni della combustione della legna
Particolato grossolano
particolato sedimentabile di dimensioni superiori
ai 10 µm, non in grado di penetrare nel tratto
respiratorio superando la laringe, se non in piccola
parte.
PM10
particolato formato da particelle inferiori a 10
micron (µm) è una polvere inalabile, ovvero in
grado di penetrare nel tratto respiratorio superiore
(naso e laringe). Le particelle fra circa 5 e 2,5 µm
si depositano prima dei bronchioli.
PM2,5
particolato fine con diametro inferiore a 2,5 µm, è
una polvere toracica, cioè in grado di penetrare
profondamente nei polmoni, specie durante la
respirazione dalla bocca.
Per particolato atmosferico si intende l'insieme di particelle atmosferiche solide e liquide con
diametro compreso fra 0,1 e 100 micron.

22. Emissioni della combustione della legna
massa vs. numero
Al diminuire della dimensione la frazione di molecole presente in
prossimità della superficie della particella, rispetto al totale, aumenta

23. Emissioni della combustione della legna
Particelle nell’ambiente
Dp < 0.01 m 0.01<Dp < 0.1 m 0.1<Dp < 1 m 1<Dp < 10 m
 
Materiale Particolato
EMISSIONE
DIRETTA
Aerosol
Primario
Aerosol
Secondario
Gas
(molecole)
Precursori Gassosi
CONDENSAZIONE
coagulazionenucleazione coagulazione

24. Emissioni della combustione della legna
Emissione veicoli
Particolato atmosferico
Emissione primaria da
combustione
Crescita dovuta
all’accumulazione di
prodotti secondari o
all’aggregazione fra
particelle elementari
Fresh Aged
Nell’aerosol fresco i clusters tendono a
formare una forma aperta
Le trasformazioni che avvengono
durante l’invecchiamento
(inclusione di acqua) tendono a
formare una forma più chiusa

25. Emissioni della combustione della legna
PM primario
(misura nei fumi
non diluiti)
PM primario + condensabile
(misura nei fumi diluiti con aria a
temperatura ambiente)
L’aumento del
rapporto di
diluizione porta
alla perdita di
gas per
evaporazione e
desorbimento

26. Emissioni della combustione della legna
• Tunnel di diluizione (DT).
Banco sperimentale per lo studio delle emissioni
• Linea di prelievo per il
campionamento delle
polveri.
Analizzatori per la misura della
concentrazione dei gas di combustione
all’interno della canna fumaria.
Impianto Aspirazione
STUFA
BILANCIA
FID
SONDA
MULTIPARAMETRICA
Tf, ( ), CO, NOx, O2,
CO2,
Monitor
CO2
Monitor
CO2
 Monitor CO2
 Impianto di aspirazione
LINEA DI PRELIEVO

27. Emissioni della combustione della legna
www.arcosolutions.eu
Strumenti per il campionamento delle polveri
(primarie e secondarie)• Sonda di prelievo
• Sistema filtrante per la raccolta polveri
• Condensatore e refrigeratore
• Filtro PUF per microinquinanti
• Pompa isocinetica
Dopo
Prima

28. Emissioni della combustione della legna
IPERCINETISMO IPOCINETISMO ISOCINETISMO
V aspirazione
> V fumi
SOTTOSTIMA!
V aspirazione
< V fumi
SOVRASTIMA!
V aspirazione
= V fumi
CAMPIONE
RAPPRESENTATIVO!

29. Emissioni della combustione della legna
L’impattore multistadio• Sistema TCR TECORA impattore a
multistadio (MSSI) compatibile con
metodo VDI 2066 Part. 10 ed alla
norma EN 13284-1
Primo stadio
(PM>10 um)
Secondo stadio
(10um<PM<2,5um)
Terzo stadio
(PM<2,5um)
www.arcosolutions.eu

30. Emissioni della combustione della legna
Strumenti per la caratterizzazione di COV
• Rilevatore a ionizzazione di fiamma
PCF Elettronica - FID 9388 / CH4-TNMHC
• Rilevatore a fotoionizzazione -
PhoCheck Tiger Portable PID VOC Detector
• Campionatore GasCheck/Analitica Strumenti
cartucce TENAX - TD Markes Unity/GC-MS Aglilent 6890/5973
Rilevante per la speciazione dei COV
Solo alcuni (pochi) hanno significato tossicologico,
altri sono precursori di SOA, altri né l’uno né l’altro.
Quanto dell’uno e degli altri?
www.arcosolutions.eu

31. Emissioni della combustione della legna
16 test di combustione con stufa commerciale a pellet (9kW)
Fattori emissivi medi con intervallo di confidenza
per pellet di faggio ed abete
0
10
20
30
40
50
60
Faggio Abete
mg/MJ
>10
g]
2.5<PM<10
[mg]
PM<2.5
[mg]
PMtot
[mg]
PM>10
[%]
2.5<PM<10
[%]
PM<2.5
[%]
2 0,24 5,66 6,31 6,59 3,78 89,63
6 0,43 6,21 6,90 3,75 6,17 90,08
1 0,26 7,46 7,93 2,69 3,26 94,06
9 0,35 7,07 7,60 2,47 4,56 92,97
7 0,80 6,67 8,15 8,28 9,87 81,86
0 0,28 5,88 6,45 4,59 4,27 91,14
2 0,29 7,39 7,91 2,77 3,72 93,52
1 0,23 6,54 6,97 2,98 3,25 93,77
7 0,21 6,41 6,79 2,53 3,14 94,33
2 0,28 8,09 8,49 1,43 3,27 95,30
8 0,34 6,74 7,35 3,81 4,53 91,67
TEST
PM>10
[mg]
2.5<PM<10
[mg]
PM<2.5
[mg]
PMtot
[mg]
PM>10
[%]
2.5<PM<10
[%]
PM<2.5
[%]
TPA 02 0,46 0,61 3,73 4,80 9,59 12,63 77,79
TPA 03 0,46 0,46 2,70 3,62 12,57 12,76 74,67
TPA 04 0,47 0,53 2,68 3,67 12,77 14,40 72,84
TPA 05 0,46 0,47 2,53 3,46 13,24 13,64 73,12
TPA 06 0,44 0,60 2,63 3,67 11,87 16,45 71,68
TPA 07 0,38 0,52 3,03 3,94 9,68 13,31 77,01
TPA 08 0,35 0,35 3,40 4,10 8,56 8,59 82,85
MEDIE 0,43 0,51 2,96 3,89 11,18 13,11 75,71
Condizionamento filtri 48h camera T=25°C, umidità 50%;

32. Emissioni della combustione della legna
Per quel che riguarda dispositivi di combustione di legna, si procede alla valutazione dei fattori
emissivi per monossido di carbonio (CO), composti organici volatili (COV) e polveri
(PM), su inserti che impiegano diversi materiali per la camera di combustione.
(POR-FESR Palazzetti Lelio spa 2010)
REFRATTARIO GHISA

33. Emissioni della combustione della legna
• Refrattario (12:1)
71±12 mg/MJ
• Ghisa (12:1)
134±51 mg/MJ
Combustione di legna

34. Emissioni della combustione della legna
Risultati speciazione Composti Organici Volatili
Aspirazione e adsorbimento di COV non diluiti su cartuccia TENAX
Analisi per desorbimento termico (Markes Unity) e GC/MS (Agilent 6890/5973)
Dati di letteratura riportano emissioni basse di COV
con relativa abbondanza di benzene
1%
2%
2%
3%
3%4%
4%
5%
5%
8%
8%
8% 10%
37%
Benzene
Methyl Vinil Ketone
2,3-butanedione
Furan
m-p-xilene
Toluene
Methyl Ethyl Ketone
(E)-2-Butenal
3-Methyl-Butenal
2-Methyl Furan
Furfural
Naphtalene
Benzaldehyde
Benzene 1,2,3,trimethyl
Distribuzione dei VOC nelle emissioni da
combustione di pellet di abete
Dati LENS
US EPA Emission Factors
AP-42, Vol. I, CH1.10: Residential Wood Stoves
Stufe con catalizzatori specifici
possono abbattere benzene
e COV

35. Emissioni della combustione della legna
Necessità di un approccio integrato
Campionamento
delle emissioni
Caratterizzazione
chimico fisica
Stima dei rapporti
di emissione
Source
apportionment
Caratterizzazione
tossicologica
health impacts
Analisi LCA
Life Cycle Assessment
Valutazione di sostenibilità
LEnS: Legno Energia e Salute
La combustione della legna come fonte di energia primaria: sviluppo
di metodologie integrate per la valutazione di rischi e benefici

36. Emissioni della combustione della legna
Caratterizzazione delle emissioni
TC (OC, EC) Thermal Optical Trasmittance
Cl-, NO3, SO4--, Na+, NH4+, K+, Mg++, Ca++ IC
Levoglucosano HPLC/PAD
Metalli XRF
IPA HPLC
PCDD/F GC/MS/MS
Coeff. Estinzione fotometro polare
Profili di emissione
UNIMIB/UNIMI
demetrio.pitea@unimib.it

37. Emissioni della combustione della legna
Caratterizzazione delle emissioni
(profili di emissione)
Differenza nei fattori di emissione dell’EC
Si osserva una relazione fra l’aumento degli IPA e la percentuale di EC

38. Emissioni della combustione della legna

39. Emissioni della combustione della legna
abete faggio
Dati di letteratura
Loamberg et al., (2011)
Variabilità dei fattori di
emissione degli IPA soprattutto
nella combustione dell’abete
Progetto LEnS

40. Emissioni della combustione della legna
Conclusioni
La combustione della legna nella
produzione di energia può dare
un importante contributo per il
raggiungimento degli obiettivi
dell’Unione Europea (20,20,20)
Se non gestita correttamente,
può influenzare la qualità
dell’aria
Piccoli o medi impianti di
generazione del calore. Vicino
all’approvvigionamento della
materia prima (filiera corta)
Difficoltà ad ottenere
buone performance di
combustione
Qualità del combustibile
Modalità di utilizzo
Previsti degli incentivi per piccoli
impianti termici, alimentati da
biomassa a filiera corta (conto
energia termico)
Controllo sulla qualità
e sulla provenienza del
combustibile
Mancanza di
educazione
dell’utilizzatore
Garantite emissioni e
rendimento
Poca chiarezza sul concetto di emissione
(campionamento a caldo vs. tunnel di diluizione)

41. Emissioni della combustione della legna
Dipartimento di Scienze Ambientali e del Territorio
Demetrio Pitea
Marina Lasagni
Elena Collina
Manuela Anzano
Andrea Piazzalunga
Valentina Castellani - Gruppo di Ricerca sullo Sviluppo Sostenibile
Dipartimento di Scienze Ambientali e del Territorio
Paola Fermo
Dipartimento di Scienze farmacologiche
Corrado Galli
Emanuela Corsini
Marina Marinovich
Dipartimento di Farmacologia, Chemioterapia e Tossicologia Medica
Laura Marabini
Dipartimento di Scienze Chimiche
Pierluigi Barbieri
Sergio Cozzutto (spin off ARCo Solutions)
Gianpiero Barbieri (spin off ARCo Solutions)
Dipartimento di Chimica Industriale
Fabrizio Passarini
Daniele Cespi